추상적인현대 시설농업의 지능화는 주로 운영 및 유지보수 시스템에 달려 있습니다. 운영 및 유지보수 시스템의 지능화는 온실 운영의 종합적인 효율성과 직접적인 관련이 있으며, 시설농업의 현대화를 나타내는 지표로서 보급 및 심층적인 발전에 중요한 가치를 지닙니다. 본 논문은 칭다오의 한 시설농업 기지에서 지능형 운영 및 유지보수 시스템을 적용한 사례를 소개하고, 그 효과를 분석하며, 시스템의 보급 가치를 평가하여 관련 실무자들에게 참고 자료를 제공하고 관련 시스템에 대한 심층 연구를 촉진함으로써 시설농업의 기술 및 지능화 수준을 향상시키는 데 기여하고자 합니다.

키워드지능형 운영 및 유지보수 시스템; 시설 농업; 응용 분야

중국의 급속한 발전과 더불어 전통적인 농업 생산 방식으로는 사회가 요구하는 농산물의 질과 양을 충족할 수 없게 되었습니다. 높은 생산량, 효율성, 우수한 품질을 특징으로 하는 현대식 시설농업이 최근 빠르게 발전하면서 막대한 시장 잠재력을 보여주고 있습니다. 그러나 세계 선진 농업 국가 및 지역과 비교했을 때, 중국의 시설농업 기술 수준은 여전히 ​​크게 뒤처져 있으며, 특히 농업용 센서 및 머신 클라우드 브레인과 같은 농업 IoT 기반 지능형 운영 및 유지 관리 시스템의 적용 분야에서 디지털화 개선이 시급합니다.

1. 농업용 지능형 운영 및 유지보수 시스템

1.1 시스템 정의

농업용 지능형 운영 및 유지보수 시스템은 사물인터넷(IoT) 기술, 지능형 관리 기술, 그리고 파종, 저장, 가공, 운송, 추적성, 소비 등 다양한 농업 공정을 심층적으로 통합한 신흥 시스템 기술입니다. "시스템+하드웨어"의 통합을 통해, 농업용 지능형 운영 및 유지보수 시스템은 센싱 기술, 전송 기술, 처리 기술 및 공통 기술과 같은 사물인터넷의 핵심 기술을 활용하여 농작물 개체 식별, 상황 인식, 이기종 장비 네트워크 구축, 다중 소스 이기종 데이터 처리, 지식 발견 및 의사결정 지원과 같은 다중 상호작용 문제를 종합적으로 해결합니다.

1.2 기술 경로

일반적으로 농업 관리 시스템의 구조는 주로 인지, 네트워크 및 플랫폼으로 구성됩니다. 이를 기반으로 기업은 농업 유형 및 비즈니스 요구에 따라 더 많은 논리적 계층을 확장할 수 있습니다. 농업 지능형 운영 및 유지 관리 시스템의 아키텍처는 그림 1에 나와 있습니다.

시설농업의 지능형 운영 및 유지 관리에 필요한 센서를 맞춤 제작할 수 있습니다. 온도 및 습도 센서, 이산화탄소 센서, 조도 센서, 전류 센서, 유량 센서, 이산화탄소 유량 센서, 천연가스 유량 센서, 압력 센서, EC 센서, pH 센서 등을 제공하며, 수요가 많은 기업은 자체 센서를 연구 개발하고, 관련 데이터 전송 프로토콜을 통해 안정적인 데이터 전송 및 수집을 보장할 수 있습니다.

1.3 개발의 중요성

지능형 운영 및 유지 관리 시스템은 농업 사물 인터넷(IoT)을 통해 지능형 감지 기술, 정보 전송 기술 및 지능형 처리 기술을 활용하여 농업 활동의 모든 단계를 실시간으로 모니터링하고 원격 제어합니다. 이를 통해 농업 생산, 관리 및 전략적 의사 결정의 지능형 정보화를 촉진하고 농업 생산의 고효율, 집약화, 규모화 및 표준화를 실현합니다. 궁극적으로 작물 생산의 모든 단계에 걸친 수직적 연결과 전체 농업 산업 사슬의 모든 단계에 걸친 수평적 연결이 실현됩니다. 재배 기술 시스템, 농업 두뇌 플랫폼, 농산물 식품 안전, 농산물 거래 플랫폼, 새로운 농업 공급망 금융 시스템, 특색 있는 농업 관광 및 보완적 재배 및 육종을 포함하는 순환 경제 생태계가 구축됩니다(그림 2).

 

2.물과 비료 통합에 대한 정보 모니터링

2.1 시스템 원리

이 시스템은 코코넛 겨 매트릭스의 수분 함량, EC, pH 등의 값을 감지하여 물과 비료 시스템에 대한 음의 피드백을 수행함으로써 정확한 관개 관리를 가능하게 합니다. 다양한 재배 환경의 특성에 따라 매트릭스의 특성과 구조를 분석 및 연구하여 경험적 관개 시점 모델과 매트릭스 수분 설정의 상한 및 하한 모델을 개발합니다. 물과 비료 통합 정보 수집 시스템은 관개 모델을 제어하고 생산 운영 및 유지 관리 과정에서 최적화 및 반복 작업을 지속적으로 수행할 수 있습니다.

2.2 시스템 구성

본 시스템은 액체 유입 수집 장치, 액체 회수 수집 장치, 기질 실시간 모니터링 장치 및 통신 구성 요소로 이루어져 있으며, 액체 유입 수집 장치는 pH 센서, EC 센서, 워터 펌프, 유량계 등의 부품으로 구성되고, 액체 회수 수집 장치는 압력 센서, pH 센서, EC 센서 등의 부품으로 구성됩니다. 기질 실시간 모니터링 장치는 액체 회수 수집 트레이, 액체 회수 필터 스크린, 압력 센서, pH 센서, EC 센서, 온도 및 습도 센서 등의 부품으로 구성됩니다. 통신 모듈은 중앙 제어실과 온실에 각각 하나씩, 총 두 개의 LoRa 모듈을 포함합니다(그림 3). 컴퓨터와 중앙 제어실에 설치된 통신 구성 요소 간에는 유선 연결이, 중앙 제어실에 설치된 통신 구성 요소와 온실에 설치된 통신 구성 요소 간에는 무선 연결이, 온실에 설치된 통신 구성 요소와 릴레이, 기질 감지 구성 요소 및 액체 회수 감지 구성 요소 간에는 유선 연결이 이루어집니다(그림 4).

2.3 적용 효과

본 모니터링 시스템을 통해 피드백되는 물과 비료를 함께 공급하는 관개 시스템의 효과를 공급업체에서 제공하는 관개 시스템만 사용했을 때와 비교하였다. 후자와 비교했을 때, 본 모니터링 시스템을 사용했을 때 토마토 식물당 평균 관개량은 하루 8.7% 감소하였고, 회수액량은 18% 감소하였다. 회수액의 EC 값은 거의 동일하게 유지되었는데, 이는 작물의 양액 흡수 법칙에 따라 본 모니터링 시스템을 이용한 관개가 작물에 더 많은 양액을 흡수하게 한다는 것을 보여준다. 본 지능형 관개 시스템을 사용하면 기존의 시간 조절식 관개 방식과 비교하여 평균 관개량을 29%, 회수액을 53%까지 줄일 수 있다(그림 5~6).

 

3. IoT 기반 환경 제어 시스템

식물 공장에서 대규모 동적 스펙트럼 노드의 정밀 제어 요구에 대응하여, 대규모 이질적 노드 수집 및 식물 조명 환경의 정밀 제어 문제를 해결하기 위해 사물 인터넷(IoT) 기술을 도입했습니다. 식물 공장의 지능형 조명 제어 시스템은 지능형 LED 조명 기구를 중심으로 WF-IoT 빅데이터 융합 사물 인터넷 기술을 활용하여 데이터 수집, 전송 및 제어를 지원하는 대규모 분산형 단말 네트워크를 구축합니다. 이 시스템은 생산 요구 사항에 따라 자유롭게 그룹화할 수 있으며, 다양한 조명 조건과 식물 생장 요구에 따라 식물 조명 기구의 조도를 실시간으로 지속적으로 조정하여 보조 조명의 조도와 양을 정밀하게 제어할 수 있습니다(그림 7). 주변 네트워크를 통해 환경 및 조도와 같은 센싱 데이터의 동적 수집 및 전송이 가능하며, 동시에 에너지 소비량을 온라인으로 모니터링하여 각 생장 영역의 보조 조명 에너지 소비량을 실시간으로 파악할 수 있습니다.

이 시스템은 온실 내부 및 외부 제어 데이터를 수집하여 식물의 정밀 관리를 실현하고 "식물 관리 모델"의 제품 개발을 완료합니다. 전류, CO2, 천연가스 및 수분 센서를 통해 "에너지 시스템"의 모니터링 데이터 수집이 가능합니다. 로봇 비전 기술을 사용하여 과일 색상, 과일 개수, 과일 줄기 크기, 잎, 줄기 등의 데이터를 통해 작물 생장 데이터의 전 과정을 모니터링하고 인식합니다(그림 8).

4.판촉 가치

산업 인터넷 플랫폼의 장점을 활용한 농업 지능형 운영 및 유지 관리 시스템은 한 번의 투자로 여러 번 활용 가능하며, 산업 인터넷의 공유 개념을 적용하여 저비용 고효율로 시설 농업에 사물 인터넷(IoT)을 구축하고 시설 농업의 지능화 및 친환경성을 향상시킵니다. 칭다오시 라이시시의 시스템 적용 사례를 살펴보면, 비료의 종합 이용률이 90% 이상에 달해 전통적인 토양 재배 방식의 3배에 이릅니다. 전 과정에서 생산 폐수가 전혀 배출되지 않아 노지 재배 대비 물 사용량을 95% 절감하고 토양 오염을 줄입니다. 또한, 이 시스템은 온실 내 이산화탄소(CO2)를 감지하고 온실 안팎의 온도, 조도 등의 환경 요인을 종합적으로 분석하여 이산화탄소 공급량을 실시간으로 조절합니다. 이를 통해 작물의 필요량을 충족시키면서 낭비를 방지하고, 작물의 광합성을 효과적으로 강화하고 탄수화물 축적을 촉진하여 단위 면적당 수확량을 늘리고 채소 품질을 향상시킵니다. 전체 운영 및 유지 관리 시스템은 온실 환경 제어 설비의 자동 운전과 전천후 장비의 자동 및 정확한 운전을 실현하여 에너지 비용을 10%, 수동 운영 비용을 60% 절감했습니다. 동시에 강풍, 비, 눈과 같은 악천후 발생 시 창문을 즉시 닫는 등의 보호 조치를 취하여 갑작스러운 악천후로부터 온실 자체와 온실 내 작물의 손실을 효과적으로 방지할 수 있습니다.

5.결론

현대 시설농업의 발전은 농업 지능형 관리 시스템의 도움 없이는 불가능합니다. 강력한 인식, 분석 및 의사결정 능력을 갖춘 관리 시스템만이 현대화의 길에서 지속적으로 전진할 수 있습니다. 농업 지능형 관리 시스템은 인위적 관리의 단점을 크게 줄이고 농업 생산, 관리 및 전략적 의사결정의 지능형 정보화를 촉진합니다. 시스템 투입량의 증가와 활용 시나리오의 지속적인 다양화에 따라, 시스템의 데이터 모델은 더 많은 데이터를 기반으로 끊임없이 업데이트되고 개선되어야 하며, 더욱 지능화되어 현대 시설농업의 지능화 수준을 종합적으로 향상시켜야 합니다.

끝

[인용 정보]

원저자: 샤비펑, 장정 외. 온실원예농업공학기술, 2024년 4월 19일 오전 10시 47분, 베이징